【正文】 山東華泰礦業(yè)有限公司煤矸石似膏體膠結(jié)充填可行性研究報告中 南 大 學(xué)二00八年十月目 錄1．研究背景及目的和意義 12．充填法開采煤層技術(shù)條件 23．充填范圍、充填采煤方式與充填系統(tǒng)能力確定 3 充填范圍和充填采煤方式 3 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力與充填材料消耗量計算 44．充填方式確定 55．充填材料構(gòu)成與技術(shù)參數(shù) 6 煤矸石作為充填骨料的可行性 6 充填材料構(gòu)成 9 充填料漿技術(shù)參數(shù) 96．充填工藝流程 117．充填料漿制備及管道輸送方案設(shè)計 12 方案設(shè)計原則 12 充填料漿制備站選擇 12 充填制備系統(tǒng)方案設(shè)計 13 充填材料消耗量計算 13 主要設(shè)施 13 主要設(shè)備 16 總圖方案設(shè)計 19 井下管道輸送系統(tǒng)方案設(shè)計 198．煤矸石似膏體膠結(jié)充填系統(tǒng)可行性評價 21 環(huán)境評價 21 制備系統(tǒng)可靠性評價 22 管道輸送系統(tǒng)可靠性評價 22 效益評價 261．研究背景及目的和意義山東華泰礦業(yè)有限公司（以下簡稱“華泰公司”）是山東新汶礦業(yè)集團(tuán)所屬主力礦山之一，煤炭儲量700萬t，三采區(qū)是華泰公司主要采煤工區(qū)，位于井田東北部，采區(qū)范圍東至礦井邊界，邊界線為F秦煤柱線，西部至F付斷層，淺部為F秦與F付斷層交匯處，深部至F花斷層。南部為F秦1及F付斷層，北部為F付1斷層。地面標(biāo)高+~+，埋藏深度約50~1000m。可采煤層為二、四、七、九、十五、十九層煤，現(xiàn)主要開采二層和十五層煤。地下礦山采礦活動，不可避免的留下大量采空區(qū)，如果未及時進(jìn)行處理，采空區(qū)規(guī)模越來越大，會造成采空區(qū)頂板巖層突然垮落，不僅危及井下作業(yè)安全，而且會引起上覆巖層甚至地表的一定和變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致地表塌陷、地裂縫等重大地質(zhì)災(zāi)害，對地表建（構(gòu)）筑物造成嚴(yán)重破壞。由于華泰公司三采區(qū)開采范圍內(nèi)地表為村莊和農(nóng)田，且鐵路線近似南北、萊麻公路近似東西橫穿礦區(qū)，屬典型的“三下”（ 建筑物下，鐵、公路下，水體下）資源。對這部分煤炭資源不能采用常規(guī)的陷落法開采，必須尋求能夠限制地表移動和變形的新型采礦方法。充填采礦法由于能夠確保 “三下”開采安全，最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)地下、地表環(huán)境，在有色金屬礦山和貴重金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用。近些年來，由于充填材料、充填工藝、管道輸送裝備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，充填成本不斷降低，充填效率不斷提高，其優(yōu)勢日漸突出。隨著煤炭價格持續(xù)在高位運行，該方法在地下煤炭礦山推廣應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢。鑒于華泰公司三采區(qū)煤層是典型的“三下”資源，為保證地表建（構(gòu)）筑物安全，充填采礦法應(yīng)該是該部分資源開采的首選方法。另一方面，由于多年的強(qiáng)化開采，華泰公司在地表堆積了大量掘進(jìn)產(chǎn)生的煤矸石，煤矸石山位于城鎮(zhèn)范圍內(nèi)，不僅占用大量寶貴的土地資源，而且造成城鎮(zhèn)環(huán)境和地下水污染。如果能夠?qū)⑦@部分煤矸石徹底消化，不僅可以恢復(fù)寶貴的土地資源，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且會對保護(hù)環(huán)境、創(chuàng)建綠色礦山作出重大貢獻(xiàn)。為解決礦山堆存的煤矸石出路，華泰公司建成了利用煤矸石制作建筑用磚的建材廠，但其處理煤矸石能力有限。如果能將煤矸石作為充填骨料，添加膠凝材料形成膠結(jié)充填料漿充入井下采煤工作面，不僅可以徹底解決華泰公司“三下”資源的安全開采技術(shù)難題，而且為煤矸石提供一條新的處理途徑，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益顯著，項目符合國家節(jié)能減排的政策要求。雖然中南大學(xué)和新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村煤礦合作開展了“城鎮(zhèn)下煤柱開采煤矸石似膏體管道自流充填綜合技術(shù)”研究，建成了孫村煤礦煤矸石似膏體充填制備與輸送系統(tǒng)并投入生產(chǎn)應(yīng)用，且經(jīng)過 1年多的工業(yè)運行實踐證明，煤矸石似膏體充填技術(shù)安全可靠，但由于華泰公司煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)、粒級組成、化學(xué)成分、堆放時間等與孫村煤礦煤矸石不同，充填制備站距充填工作面的高差和距離也與孫村煤礦完全不同（華泰公司高差更大，輸送距離更短），因此華泰公司煤矸石膠結(jié)性能、煤矸石似膏體管道自流輸送特性與孫村煤礦差別較大，不能簡單地將孫村煤礦煤矸石似膏體充填技術(shù)移植到華泰公司，必須根據(jù)華泰公司煤矸石特性和充填開采技術(shù)條件，進(jìn)行華泰公司煤矸石似膏體充填技術(shù)參數(shù)和管道自流輸送特性試驗研究，確定最佳的充填配比參數(shù)和管道自流輸送參數(shù)，進(jìn)行煤矸石似膏體充填制備與輸送系統(tǒng)能力計算和方案設(shè)計，在此基礎(chǔ)上完成華泰公司煤矸石似膏體制備系統(tǒng)和管道自流輸送系統(tǒng)的施工設(shè)計和建設(shè)，并經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)試驗加以完善，以達(dá)到華泰公司煤矸石似膏體充填安全、高效的目的。2．充填法開采煤層技術(shù)條件1）二層煤~，開采上限為150m，下限到F花斷層煤柱，平均走向長度1203m，傾斜長度1600m，煤層傾角25176。~32176。頂板巖層為深灰色泥巖、粉砂巖和淺灰色砂巖，泥巖地段穩(wěn)定性較差，砂巖地段穩(wěn)定性尚好。2）十五層煤十五層煤400m以上已開采完成，根據(jù)實際揭露平均煤厚1m左右，~，開采上限為200m，下限為1000m，平均走向長度823m，傾斜長度1400m，煤層傾角25176。~32176。頂板巖性及穩(wěn)定性與二層煤基本一致。3．充填范圍、充填采煤方式與充填系統(tǒng)能力確定 充填范圍和充填采煤方式1）充填范圍華泰公司三采區(qū)主采煤層為二層和十五層煤，其各自充填范圍如圖3圖32所示。2）充填采煤方式根據(jù)山東科技大學(xué)三采區(qū)采充方案設(shè)計結(jié)論及建議和目前三采的實際情況，在綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素的基礎(chǔ)上，確定二層和十五層煤采用間隔充填的回采方案：即在360~500m左右開采深度，采用充填面寬120m，非充填面寬60m的開采方案；500m左右以下，采用充填面寬120m，非充填面寬80m的開采方案。 圖31華泰公司二層煤充填開采范圍圖32 華泰公司十五層煤充填開采范圍由于三采的煤層傾角比較大，采用條帶式充填，即：回采工作面沿走向推進(jìn)一段距離后，停采撤面，進(jìn)行充填。然后，另開切眼，重新推采下一個條帶的回采工作面。首采充填工作面選定在300m水平。 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力與充填材料消耗量計算1）充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力充填作業(yè)采用年工作330d，每天2班，每班6h的工作制度。根據(jù)合同要求，充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力應(yīng)達(dá)到Qh=120m3h1或Qd=1440m3d1。2）日充填量根據(jù)充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力，日充填量為：=d1 式中：—壓縮沉降系數(shù)，取=；—流失系數(shù)，取=。4．充填方式確定根據(jù)華泰公司三采區(qū)具體開采技術(shù)條件，可以采用的充填方式包括膏體泵送充填和似膏體自流充填，基于以下原因，確定采用似膏體管道自流充填：（1）膏體泵送充填雖然技術(shù)含量高、井下脫水量少，但系統(tǒng)投資大，技術(shù)可靠性差；而似膏體自流充填投資小，操作簡單，運行可靠。由于華泰公司三采區(qū)充填范圍內(nèi)儲量不大，從經(jīng)濟(jì)角度而言，適合采用簡單可靠的似膏體自流充填技術(shù)；（2）膏體泵送充填，料漿排出后，流動性能差，接頂困難，而似膏體自流充填兼顧充填料漿濃度和漿體流動性，能夠盡可能提高空區(qū)充滿率；（3）根據(jù)國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗，只有當(dāng)漿體壓頭不足，不能采用管道自流輸送時，才考慮采取加壓輸送方式。管道自流輸送的標(biāo)準(zhǔn)是管路系統(tǒng)幾何充填倍線小于5~6。幾何充填管路倍線N按下式計算： （41）式中：—管道起點和終點的高差，華泰公司三采區(qū)充填鉆孔預(yù)定位置標(biāo)高+210m，至首采300m充填水平垂直高差約為510m；—包括彎頭、接頭等管件的換算長度在內(nèi)的管路總長度。首期充填范圍水平管道長度500m，三二軌道下山斜長647m，轉(zhuǎn)折段長度58m，加上510m垂直段長度，=1715m。，完全可以實現(xiàn)自流輸送充填。5．充填材料構(gòu)成與技術(shù)參數(shù) 煤矸石作為充填骨料的可行性煤矸石是采煤和洗煤的副產(chǎn)品，是無機(jī)質(zhì)和少量有機(jī)質(zhì)的混合物。煤矸石一般呈深灰色，在空氣中長期放置，會發(fā)生氧化反應(yīng)或稱陶化反應(yīng)，顏色變?yōu)闇\紫紅色。礦物成分以粘土礦物和石英為主，常見礦物為高嶺土、蒙脫石、伊利石、石英、長石、云母和綠泥石類。除了石英和長石外，以上礦物均屬于層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，這是煤矸石礦物成分的一個特點。煤矸石的化學(xué)成分不穩(wěn)定，不同地區(qū)的煤矸石成分變化較大，其主要化學(xué)成分是SiOAl2O3和C。其次為Fe2OCaO、MgO、Na2O、K2O、SOP2ON和H等。此外，也常含有少量Ti、V、Co和Ga等金屬元素。分析煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成份組成（表51~表53和圖51~圖53），可以得出如下結(jié)論：表51 充填料物理力學(xué)性能表充填料密度/gcm3松散干密度(1)/ gcm3滲透系數(shù)/cms1中值粒徑(2)/d50，mm水上休止角水下休止角煤矸石103粉煤灰104注：（1）分子為干樣松散干密度，分母為水中沉積時松散密度；（2）中值粒徑d50：粒級組成曲線上累積含量50%時對應(yīng)的顆粒粒徑；表52 充填物料不同粒徑（mm）組成表（%）充填料5~22~~~~~煤矸石粉煤灰表53充填料壓縮參數(shù)測定結(jié)果